AT502299B1

AT502299B1 - Erhitzer eines stirlingmotors

Info

Publication number: AT502299B1
Application number: AT0929904A
Authority: AT
Original assignee: Fachhochschule Bingen; Itb Inst Fuer Innovation Trans
Priority date: 2003-08-14
Filing date: 2004-08-09
Publication date: 2007-05-15
Also published as: WO2005017338A1; DE10337312B3; AT502299A5

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Erhitzer eines Stirlingmotors mit Rohrschlangen für ein Arbeitsgas, die in einen Körper aus einem wärmeleitfähigen Material eingegossen sind.

Aus der Praxis ist ein Stirlingmotor bekannt, der einen Verdichtungszylinder und einen Arbeits-5 Zylinder umfasst, in denen jeweils ein Kolben gelagert ist und zwischen denen ein Arbeitsgas in einem geschlossenen Kreisprozess hin- und hergeschoben wird. Im Verdichtungszylinder erfolgt bei niedriger Temperatur unter Wärmeabfuhr an das Kühlwasser eine Kompression und beim isochoren Überschieben in den Arbeitszylinder nimmt das Arbeitsgas Wärme aus einem Regenerator auf und erwärmt sich dadurch. Bei der isothermen Expansion im Arbeitszylinder io wird dem Arbeitsgas im Erhitzer Wärme zugeführt. Danach erfolgt das Zurückschieben in den Kompressionszylinder, wobei das Arbeitsgas die Wärme an den Regenerator abgibt und sich dabei abkühlt. Der Erhitzer besteht aus einer Vielzahl von Rohrschlagen, auf denen jeweils eine große Anzahl feiner Lamellen in einem kostenintensiven Vakuum-Lötprozess befestigt sind. Durch die Anordnung der Lamellen wird eine Vergrößerung der äußeren Oberfläche des Erhit-15 zers und somit eine Steigerung der zu übertragenden Wärmeleistung erzielt. Durch den geschlossenen Kreisprozess mit einer Wärmeeinkupplung von außen ist der Stirlingmotor weitestgehend unabhängig von der Art der Wärmequelle. In der Regel werden kontinuierlich arbeitende Gas- oder Ölbrenner, aber auch konzentrierte Solarstrahlung zur Erwärmung des Arbeitsgases verwendet. Darüber hinaus ist auch eine Verbrennung von Biomasse, also Holz, Pflanzen-20 teile, Stroh usw., möglich. Als problematisch hierbei erweist sich jedoch die Gestaltung des Erhitzers, da es aufgrund der Ascheerweichung bei ca. 700°C zu Ablagerungen an den in geringem Abstand zueinander auf den Rohrschlagen befestigten Lamellen kommt und sich die Lamellenzwischenräume daher innerhalb kurzer Zeit zusetzen, so dass der Gasdurchgang und damit der Wärmeübergang so stark reduziert ist, dass der Stirlingmotor keine Leistung mehr 25 abgibt und der Erhitzer unbrauchbar ist. Demzufolge ist es erforderlich, den Erhitzer auszubauen und aufwendig zu reinigen. Darüber hinaus ist es bei einem Ausfall der inneren Wärmeabfuhr des Erhitzers durch das unter hohem Druck stehende Arbeitsgas möglich, dass der durch Lötverbindungen zusammengefügte Erhitzer zerstört wird, da die Lötverbindungen der Bauteile ab ca. 850°C unter den vorhandenen Druckbelastungen versagen. Dennoch werden Stirlingmo-30 toren als Antrieb in kleinen dezentralen Anlagen unter Nutzung von Biomasse favorisiert, da sie bei geringen Investitions- und Betriebskosten sowie hohen Wartungsintervallen zuverlässig zu betreiben sind.

Die DE 100 06 916 A1 offenbart eine Stirlingmaschine, bei der die Verbindungswege zwischen 35 Expansions- und Kompressionszylinder mit Erhitzer, Regenerator und Kühler konzentrisch um die Expansions- und Kompressionszylinder angeordnet sind. Der konzentrische Kranz der Erhitzerkanäle ist dabei in eine geschlossene Wand eingebettet.

Die US 4,527,394 A1 offenbart einen Heizkopf für eine Stirlingmaschine. Die innere Oberfläche 40 bildet einen Stirlingdruckzylinder mit dem Arbeitsgas, während die äußere Oberfläche eine Vielzahl von Lamellen aufweist, welche die Wärme des vorbeiströmenden Verbrennungsgases aufnehmen.

Die US 4,881,372 A1 offenbart eine Stirlingmaschine mit einer Heizvorrichtung zum Einfangen 45 von Sonnenstrahlung. Ein Reflektor richtet das Licht in das Innere der Heizvorrichtung auf ein wärmespeicherndes Material, in dem gebogene Rohre zur Wärmeübertragung auf das Arbeitsgas verlaufen.

Die US 5,590,526 A1 offenbart einen Stirlingmotor mit gewunden verlaufenden Kanälen zur so Abfuhr der Verbrennungsgase aus der Verbrennungskammer nach außen. Das einströmende Gas wird über die Wände der Kanäle aufgewärmt.

Die GB 665,989 A offenbart einen Zylinderkopf für eine Heißgas-Kolbenmaschine, dessen äußere Wand eine Vielzahl von Wandausnehmungen, die in ihrem Inneren jeweils Leitungen für 55 das Arbeitsmedium bilden, aufweist. 3 AT 502 299 B1

Die US 5,711,232 A1 beschreibt eine Stirlingmaschine mit Heizzylindern, die in ein Rauchgasrohr einer sekundären, also von der Stirlingmaschine unabhängigen Feuerung ragen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Erhitzer für einen Stirlingmotor der eingangs genannten Art 5 zu schaffen, der bei der Verbrennung dauerhaft zuverlässig und effektiv arbeitet.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass der mit Rippen versehene Körper im Querschnitt ringförmig ausgestaltet und an seiner einer Feuerung die zugewandten Stirnseite konvex gewölbt ist, wobei sich die Rohrschlangen über gleiche Längen entlang des äußeren io Umfangs, des inneren Umfangs und über die gewölbte Stirnseite des Körpers erstrecken.

Aufgrund dieser Maßnahme ist es nicht erforderlich, auf den Rohrschlangen selbst Lamellen bzw. Rippen aufzubringen. Vielmehr stellt der die Rippen tragende Körper ein relativ robustes Bauteil dar, das kostengünstig zu fertigen und leicht von Ablagerungen zu reinigen ist. Somit ist 15 ein zuverlässiger Einsatz des Erhitzers in Kontakt mit einem Rauchgas einer Biomasse-Verbrennung gewährleistet. Überdies ist es möglich den Erhitzer im unmittelbaren Bereich der Feuerung anzuordnen, um deren Strahlungsenergie für den Antrieb des Stirlingmotors auszunutzen. 20 Durch die ringförmige Ausgestaltung des Körpers im Querschnitt und seine konvexe Wölbung an seiner einer Feuerung zugewandten Stirnseite ergibt sich eine intensive Umströmung der Rippen des Körpers bzw. Durchströmung der von den Rippen gebildeten Strömungskanäle.

Durch die Maßnahme der Führung der Rohrschlangen, nämlich dass sich die Rohrschlangen 25 über gleiche Längen entlang des äußeren Umfangs, des inneren Umfangs und über die gewölbte Stirnseite des Körpers erstrecken, werden sowohl eine gleichmäßige Wärmeabfuhr erreicht als auch Temperaturspitzen innerhalb des Körpers vermieden.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erstrecken sich die Rippen sowohl über 30 die Außenfläche, als auch über die innere zylindrische Umfangsfläche in radialer Richtung und verlaufen axial über den Körper. Damit weist der Körper mit seinen Rippen eine relativ große Oberfläche zur Wärmeübertragung auf, die in etwa der Oberfläche eines konventionellen Erhitzers entspricht, wobei die Rippen auf dem Körper unter Bildung eines Freiraumes beabstandet zueinander angeordnet sind. Durch die grobe axiale Verrippung ist gewährleistet, dass sich 35 Partikel aus den Rauchgasen nicht ablagern können oder eine wirkungsgradschädliche Belagbildung durch einfache mechanische Maßnahmen relativ leicht zu entfernen ist.

Bevorzugt ist der Körper in ein Rauchgasrohr einer Feuerung eingesetzt, das derart ausgestaltet ist, dass Rauchgas zunächst die äußeren Rippen und anschließend die inneren Rippen des 40 Körpers umströmt. Die Strömungsführung des Rauchgases um den Körper des Erhitzers ist so gewählt, dass die Abnahme des für die Rauchgasströmung zur Verfügung stehenden Strömungsquerschnittes im Strömungsverlauf im Verhältnis zur Volumenstromabnahme durch die Abkühlung des Rauchgases steht (dV/dT=const.) Im Weiteren werden durch die Strömungsführung des Rauchgases Temperaturspitzen an der gewölbten Stirnseite des Körpers verhindert. 45

Zweckmäßigerweise ist das Rauchgasrohr aus einem stirnseitig mit einem Innenrohr verbundenen Außenrohr zusammengesetzt, wobei der Körper in den zwischen dem Außenrohr und dem Innenrohr vorhandenen Freiraum eingesetzt ist und mit seiner gewölbten Stirnseite über das Außenrohr hervorsteht. Das Außenrohr kann beispielsweise über einen zugeordneten Flansch so an einer Wärmequelle, z.B. einer Holzpellett-Feuerung, befestigt werden und die gewölbte Stirnseite direkt in die Feuerung hineinragen, um durch Strahlungstransport Wärmeenergie aufzunehmen.

Alternativ ist der Körper Sonnenstrahlung ausgesetzt. Bevorzugt ist der Körper in einem Brenn-55 punkt eines Hohlspiegels angeordnet. Damit erfolgt die Erwärmung des Körpers zur Erhitzung 4 AT 502 299 B1 des Arbeitsgases sowohl durch Wärmestrahlung als auch durch Wärmekonvektion.

Vorzugsweise ist der Körper aus Kupfer gefertigt. Die hohe Wärmeleitfähigkeit des Kupfers sorgt dafür, dass die Oberflächentemperatur des Körpers des Erhitzers unterhalb des Bereiches bleibt, in dem sich Ascheanteile im Rauchgas dauerhaft aufschmelzen. Überdies stellt die hohe Wärmeleitfähigkeit von Kupfer einen relativ guten Wärmetransport zu den das Arbeitsgas, beispielsweise Helium, führenden Rohrschlangen sicher, womit eine gleichmäßige Wärmeverteilung gewährleistet ist. Der Hauptvorteil der massiven Kupferkonstruktion liegt in der Fähigkeit bei gegebener Wärmesenke durch den laufenden Stirlingmotor lokale Temperaturspitzen abzubauen. Damit eignet sich der Werkstoff Kupfer insbesondere auch zur Aufnahme von Strahlungsenergie.

Nach einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens sind die Rohrschlangen derart geformt, dass sie jeweils den gleichen Strömungswiderstand für das Arbeitsgas aufweisen. i

Um sowohl dem hohen Druck des Arbeitsgases des Stirlingmotors als auch den hohen Betriebstemperaturen der Feuerung standzuhalten, sind vorzugsweise die Rohrschlangen aus einem Nickelbasis-Werkstoff gefertigt.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar sind. Der Rahmen der vorliegenden Erfindung ist nur durch die Ansprüche definiert.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand zweier Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Teilschnitt einer Feuerungsanlage mit einem Stirlingmotor sowie einem zugeordneten erfindungsgemäßen Erhitzer,

Fig. 2 eine vergrößerte perspektivische Darstellung der Einzelheit II nach Fig. 1,

Fig. 3 eine vergrößerte Schnittdarstellung der Einzelheit III nach Fig. 1 Fig. 4 eine perspektivische Explosionsdarstellung von Rohrschlangen des Erhitzers nach Fig. 1 und

Fig. 5 eine schematische Perspektivdarstellung des einem Hohlspiegel zugeordneten Erhitzers.

Der Stirlingmotor 1 umfasst den in ein Rauchgasrohr 2 eingesetzten Erhitzer 3 zur Erwärmung seines Arbeitsgases, wobei der Erhitzer in eine Feuerung 4 einer mit Biomasse betriebenen Wärmequelle 5 hineinragt. Der Erhitzer weist einen mit Rippen 6 versehenen, aus einem wärmeleitfähigen Material bestehenden Körper 7 auf, in den Rohrschlangen 8 für das Arbeitsgas des Stirlingmotors 1 eingegossen sind. Der aus Kupfer bestehende Körper 7 ist im Querschnitt ringförmig gefertigt und an seiner zur Feuerung 4 weisenden Stirnseite 9 konvex gewölbt. Die der gewölbten Stirnseite 9 gegenüberliegende Stirnseite 10 des Körpers 7 verläuft rechtwinklig zu dessen Außenfläche 11. Die Rippen 6 verlaufen axial über den Körper 7 und erstrecken sich in radialer Richtung sowohl über die Außenfläche 11 als auch über die innere Umfangsfläche 12 des Körpers 7. Sämtliche Rippen 6 sind in ihrem Wurzelbereich 13 unter Bildung eines Freiraumes zueinander beabstandet. Damit können sich Aschepartikel aus den Rauchgasen nicht ablagern bzw. sind leicht mechanisch zu entfernen, ohne den Erhitzer 3 zu demontieren.

Das Rauchgasrohr 2 ist im Bereich des Erhitzers 3 aus einem Außenrohr 14 und einem damit verbundenen Innenrohr 15 zusammengesetzt, wobei zwischen dem Außenrohr 14 und dem Innenrohr 15 ein Freiraum 16 zur Aufnahme des Körpers 7 ausgebildet ist. Hierbei steht die gewölbte Stirnseite 9 des Körpers 7 über das Außenrohr 14 vor und die der gewölbten Stirnseite 9 gegenüberliegende Stirnseite 10 liegt an einer Ringschulter 17 an, die das Außenrohr 14 mit dem Innenrohr 15 verbindet. Zur Befestigung des Rauchgasrohres 2 an der Wärmequelle 5

Claims

5 AT 502 299 B1 trägt das Außenrohr 14 einen Flansch 18. Die über Anschlüsse 19 mit dem Stirlingmotor 1 in Verbindung stehenden Rohrschlangen 8 sind derart geformt, dass sie jeweils den gleichen Strömungswiderstand für das Arbeitsgas aufweisen. Zur Erzielung einer gleichmäßigen Wärmeabfuhr aus dem Körper 7 und zur Vermeidung von Temperaturspitzen innerhalb des Körpers 7 erstrecken sich die Rohrschlangen 8 über jeweils gleiche Längen mit annähernd der gleichen Geometrie entlang des äußeren Umfangs, des inneren Umfangs und über die gewölbte Stirnseite 9 des Körpers 7. Die beiden spiegelbildlich gleichen Anordnungen der Rohrschlangen 8 ergeben zusammengesetzt eine nahezu optimale Gleichverteilung über die Oberfläche des Erhitzers 3. Um dem hohen Druck des Arbeitsgases sowie den hohen Betriebstemperaturen des Körpers 7 standzuhalten, sind die Rohrschlangen 8 aus einem Nickelbasis-Werkstoff gefertigt. Zur Erwärmung des Arbeitsgases strömt das Rauchgas aus der Biomasseverbrennung gemäß den Pfeilen 20 über die gewölbte Stirnseite 9 des Körpers 7 und anschließend entlang der Außenfläche 11 bis zu der Ringschulter 17, an der es umgeleitet wird und entsprechend den Pfeilen 21 entlang der inneren Umfangsfläche 12 des Körpers 7 strömt. Die Ableitung des Rauchgases erfolgt durch das Innenrohr 15 entsprechend dem Pfeil 22. Alternativ dazu ist der Erhitzer 3 zur Erwärmung des Arbeitsgases in einem Brennpunkt 23 eines gemäß den Pfeilen 24 einfallender Sonnenstrahlung ausgesetzten Hohlspiegels 25 angeordnet und wird durch die reflektierte Strahlung entsprechend den Pfeilen 26 erwärmt. Patentansprüche: 1. Erhitzer eines Stirlingmotors (1) mit Rohrschlangen (8) für ein Arbeitsgas, die in einen Körper (7) aus einem wärmeleitfähigen Material eingegossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass der mit Rippen (6) versehene Körper (7) im Querschnitt ringförmig ausgestaltet und an seiner einer Feuerung die zugewandten Stirnseite (9) konvex gewölbt ist, wobei sich die Rohrschlangen (8) über gleiche Längen entlang des äußeren Umfangs, des inneren Umfangs und über die gewölbte Stirnseite (9) des Körpers (7) erstrecken.
2. Erhitzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Rippen (6) sowohl über die Außenfläche (11) als auch über die innere zylindrische Umfangsfläche (12) in radialer Richtung erstrecken und axial über den Körper (7) verlaufen.
3. Erhitzer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (7) in ein Rauchgasrohr (2) einer Feuerung eingesetzt ist, das derart ausgestaltet ist, dass Rauchgas zunächst die äußeren Rippen (6) und anschließend die inneren Rippen (6) des Körpers (7) umströmt.
4. Erhitzer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Rauchgasrohr (2) aus einem stirnseitig mit einem Innenrohr (15) verbundenen Außenrohr (14) zusammengesetzt ist, wobei der Körper (7) in den zwischen dem Außenrohr (14) und dem Innenrohr (15) vorhandenen Freiraum (16) eingesetzt ist und mit seiner gewölbten Stirnseite (9) über das Außenrohr (14) vorsteht.
5. Erhitzer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (7) in einem Brennpunkt (23) eines Hohlspiegels (25) angeordnet ist.
6. Erhitzer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (7) aus Kupfer gefertigt ist.
7. Erhitzer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohr- 6 AT 502 299 B1 schlangen (8) aus einem Nickelbasis-Werkstoff gefertigt sind. Hiezu 3 Blatt Zeichnungen